广州沙河涌黑臭水体整治措施与效果评价研究

王宝华，黄 红，邓雪原，谢晓倩，杨先野，袁 梦

（1.广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640；2.广州市水务协会，广州 510640；3.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；4.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广州 510635；5.广东省水利电力职业技术学校，广州 510635；6.广东省水利水电科学研究院，广州 510635）

2018 年6 月，《中共中央 国务院关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》发布，要求打好黑臭水体治理攻坚战。到2020 年，地级及以上城市建成区黑臭水体消除比例达90%。党的二十大报告提出：深入推进环境污染防治，统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理，基本消除城市黑臭水体。粤港澳大湾区核心城市广州，是个伴水而生、因水而兴的城市，在两千多年的发展史当中，治城先治水成为这座城市发展的关键。自20 世纪80 年代起，随着人口的膨胀和经济迅猛发展，工业废水、生活污水大量排放至河道，造成河涌黑臭，水生态环境遭到严重破坏。近年，随着广州市城市黑臭水体整治力度加大，各级管理部门大力落实“河长制”，截污治污整治成效显著。2019 年，广州市147 条黑臭河涌基本消除黑臭［1］，2020 年一次性通过省黑臭水体治理验收，中华人民共和国住房和城乡建设部监管的147条黑臭水体全部消除黑臭。经过近三年的重拳整治，多条黑臭河涌实现了“大变样”，成为居民休闲的好去处，“水清、岸绿、景美”的风光，令游人流连驻足，实现了“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标［2］。本研究提出了消除黑臭水体“三源-四洗-五方针”整治模式、长治久清生态自修复模式等，实践证明，沙河涌治理效果良好，最终实现了“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标。本成果对于黑臭水体水生态修复具有重要参考意义［3-5］。

1 研究区概况

沙河涌是广州市147条黑臭河涌之一，北起白云山，由北向南穿越白云、天河、越秀三区后，汇入珠江前航道，干流全长14.14 km，流域面积34.3 km2（见图1）。沙河涌为上游山区型，下游感潮型的复合型河流，干流河道曲折，宽窄不一，上游河道宽12～28 m，下游河道宽18～44 m，主涌涌口设有截污防潮闸。该涌上游有左右支流，左支流长约2.35 km，右支流长约3.45 km。右支流发源于白云区榕树头，左支流与耙齿沥水库相连，左右支流于元岗桥上游汇集成主涌，下游在越秀区珠江宾馆附近汇入珠江（二沙涌）［6］。

图1 沙河涌流域水系图Fig.1 Water system of Shahechong

2 沙河涌黑臭消除历程

为了实现河涌“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标，提出了消除黑臭综合整治思路，在全面梳理黑臭河涌现状及存在问题基础上，系统采用“三源-四洗-五方针”综合整治模式、保持长治久清生态自修复模式等（见图2）。

图2 消除黑臭水体综合整治思路图Fig.2 Comprehensive plan for the elimination of black and odor water

2.1 黑臭沙河涌

治理前，沙河涌上游利用三涌补水工程抽取珠江水长距离补水，水质较为浑浊，下游则通过水闸双向调度，水体较深，水生态情况较差。上游山水被截流后缺乏生态基流；中下游河道变宽，坡度变缓，大量泥沙沉积；下游受潮汐影响，水体过深，水生态不佳，治理前的沙河涌照片见图3。

图3 治理前的沙河涌Fig.3 Shahechong before treatment

2.2 消除黑臭“三源-四洗-五方针”整治模式

全面系统梳理河涌现状及存在问题，采用了三源（源头控污、源头截污、源头雨污分流，达到从源头降量的目标）、四洗（洗楼、洗管、洗井、洗河，要全面摸清排水户排水管网现状）、五方针（控源、截污、清淤、补水、管理方针）综合治理措施。

通过采取上述“截污水、分清水、减溢流、补短板、降水位、补清水、强管理”等综合手段后，沙河涌流域达到了源头减量、沿程（沙河涌主干管）减压、末端（猎德厂）减负、河涌减污和增加进厂浓度“四减一增”的效果，体现了污水收集与处理系统的提质增效，实现了沙河涌水环境质量明显提升，治理后的沙河涌照片见图4。

图4 治理后的沙河涌Fig.4 Shahechong after treatment

2.3 保持长治久清生态自修复模式

沙河涌为保持长治久清的治理效果，采用三部曲，其一溢流口改造，开展渠箱清污分流，截留初雨；其二停调珠江水补水，改用京溪净水厂尾水补水（再生水补水）；其三降低下游感潮段的景观水位，保持低水位运行［7］。实现阳光透射到涌底，涌底生境得以恢复，水生生物群落开始丰富的生态自修复模式。

3 生态修复的定量分析

通过对沙河涌进行为期一年多（2019年5月至2020 年10 月）的水生生物监测，定量分析阐明黑臭水体整理后河涌生态系统自修复效果与发展趋势。建立二维河道水动力模型，分析计算沙河涌的水动力情况，重点计算河道水面线情况，并模拟枯水期、丰水期的水位、水流流速、流向情况。根据沙河涌监测点河段枯水期、丰水期水动力模型结果，分析监测点河段水流情况对水生植物的影响，得出不同水期水生生物群落结构变化和恢复状况。

3.1 监测位点布设与监测数据收集

（1）监测位点布置原则

沙河涌监测位点的布置原则其一考虑流域内水系分布情况，包括支流汇入口、重要合流排水口以及补水点位置等因素；其二考虑监测数据代表性，监测位点均匀布置在河涌上、中、下游。

沙河涌上游至下游共布设了7个监测位点，各位点的具体信息见表1。

表1 沙河涌监测位点基本信息Table 1 Basic information of monitoring points of Shahechong

（2）采样时间与项目

本研究于2019 年5 月、2020 年2 月和10 月开展调查采样工作。采集与指标测定主要包括：水质指标测定，浮游生物、附着藻类水生植物、大型底栖动物及鱼类的采集鉴定。

3.2 水质指标评价

水质主要涉及溶解氧（dissolved oxygen，DO）、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、五日生化需氧量（five-day biochemical oxygen demand，BOD5）、总氮（total nitrogen，TN）、氨态氮（ammonia nitrogen，NH3-N）、总磷（total phosphorus，TP）指标，评价参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行。

3.3 水动力数学模型分析

采用河道MIKE21水动力模型计算，模拟区域为沙河涌上游左、右支流（监测点S1、S2）至下游涌口（监测点S7）的河道范围。为确保监测点河段模型结果精度，适当增加监测点上、下游约200 m河段的三角形网格密度，沙河涌模型共生成计算网格102 546个，网格平均大小2.6 m2。

水动力学模块是MIKE21水动力模型最核心的基础模块，可以模拟因各种作用力作用而产生的水位和水流变化。模型计算公式如下：

水流连续方程：

河道主流方向运动方程：

垂直主流方向（河宽方向）水流运动方程：

其中：h为水深，m；t为时间，s；u和v分别为x和y方向的流速，m/s，M=uh，N=vh；Z为水位，m；q为单位面积上水流的源汇强度，m/s；n为曼宁糙率系数；D为紊动粘性系数；J为雅克比数；U、V分别为曲线坐标中流速在ξ和η方向的分量［8］。

3.4 水生生物评价

水生生物采用物种组成、丰度、生物量、优势度指数（Y）、Shannon 多样性指数（H）以及Pielou’s 均匀度指数（J）［9］等评价方法进行评价，各指数按《海洋监测规范》（GB 17378.1—2007）的要求进行计算，具体计算方法如下［10］:

式中：ni为第i种的个体数；N为所有种类的总个体数；fi为第i种在各位点出现的频率；Pi为第i种的个体数与总个体数的比值。Y＞0.02 的物种被定义为优势种［11-12］。Shannon 多样性指数（H）是反映生物群落结构的复杂性和稳定性的指标，该指数数值越大，表明生物多样性水平越高。

2020 年10 月选用相对重要性指数（index of relative importance，IRI）描述了鱼类群落生态优势度，将IRI≥1 000 定为优势种，100≤IRI＜1 000 定为重要种。计算公式为:

式中：N为各物种数量百分比，W为各物种质量百分比，F为各物种在所有抽样次数中的出现频率。

4 研究结果

4.1 水质指标测定

沙河涌以低水位运行模式为主，除河口受珠江潮汐影响水深为1～2 m 外，其他位点的水深在0.5 m左右变动，丰水期最大流速达1 m/s，而枯平水期，流速均低于0.4 m/s。2020 年水质较2019 年明显提升（图5），DO、COD、BOD5均达Ⅲ类地表水标准，与2019 年相比，2020 年水体的COD、BOD5、TN、NH3-N、TP浓度分别下降46%、54%、18.9%、29.4%、36.7%。

图5 沙河涌三次水质调查结果对比图Fig.5 Result comparison of three surveys of water quality at Shahechong

4.2 水动力数学模型计算结果

建立沙河涌河道MIKE21水动力模型，计算枯水期（10月至次年4月）、丰水期（5月至9月）沙河涌上游至下游7 个监测位点水位、水深和流速。计算结果见表2，计算结果反映了沙河涌各断面水位-流速关系的变化情况。

表2 沙河涌枯水期、丰水期各监测河段水力特征值Table 2 Hydraulic characteristic values of each monitored river section during dry and rainy season of Shahechong

4.3 浮游生物

（1）浮游植物

2019 年5 月和2020 年2 月与10 月浮游植物物种组成对比见图6。三次调查浮游植物物种组成均以绿藻和硅藻为主，2020年10月物种数较2020年2月大大增加，且物种明显多样化，出现了甲藻门物种，蓝藻占比大幅减小（从19%减小到4%），而绿藻门、裸藻门和隐藻门物种占比增加。在一系列的生态恢复策略下，浮游植物群落逐渐重建，从营养盐含量充足水域中的普生种类（硅藻）逐渐形成优势种且数量明显增加（以绿藻最多），还出现了敏感种转板藻和卵囊藻。在水质逐步改善的前提下，敏感种的出现有利于河涌浮游植物完整性修复。

图6 沙河涌浮游植物物种组成占比图Fig.6 Proportion of species composition of phytoplankton composition of Shahechong

（2）浮游动物

在沙河涌三次调查中，浮游动物物种组成对比如图7所示。可以发现，与2019年5月相比，2020年10月调查总物种数有所增多，且物种组成变化很大，原生动物组成占比在后两次调查中有了极大的提升。与2020 年2 月相比，2020 年10 月浮游动物总物种数减少了1种，原生动物占比略有增加，轮虫占比略有增加，没有桡足类物种出现。表明在一系列的生态恢复策略下，浮游动物群落逐渐重建，原生动物占比逐步提高，逐步出现敏感种针棘匣壳虫和弯凸表壳虫。在水质逐步改善的前提下，敏感种的出现有利于河涌浮游动物完整性修复。

图7 沙河涌浮游动物物种组成占比图Fig.7 Proportion of species composition of zooplankton composition of Shahechong

4.4 附着藻类和水生植物

（1）附着藻类

在沙河涌三次调查中，附着藻物种组成对比如图8所示。可以发现，与2019年5月附着藻类总和26种和2020年2月附着藻类总和28种相比，2020年10 月附着藻类总和达到71 种，物种明显多样化，增加了隐藻门物种，蓝藻门、绿藻门物种数占比均有一定下降，出现一种清洁种曲壳藻。表明在一系列的生态恢复策略下，附着藻类逐渐增多，2020年10月附着藻类总数达到71种。虽然附着藻优势种基本都是中富营养型水体指示种，但附着藻优势种逐步增加，并且出现一种清洁种。在当前的流量范围内，水质改善有利于河涌附着藻类完整性修复。

图8 沙河涌附着藻类物种组成对比图Fig.8 Proportion of species composition of attached algae composition of Shahechong

（2）水生植物

在沙河涌三次调查中，水生植物物种组成对比如图9 所示。可以发现，沙河涌2019 年5 月、2020 年2 月和10 月水生植物都以挺水植物为主。与2019 年5 月和2020 年2 月相比，2020 年10 月水生植物总物种数有所减少。2019年5月和2020年2月出现的浮叶植物和沉水植物在2020年10月没有发现，但是2020年10月出现了漂浮植物。通过三次调查，水生植物的物种数和种类变化比较明显，均出现不同的优势种，规律性不强，建议持续调查2—3年，比较分析其相关关系。

图9 沙河涌水生植物物种组成对比图Fig.9 Proportion of species composition of aquatic plant of Shahechong

4.5 大型底栖动物

在沙河涌三次调查中，大型底栖动物物种组成对比如图10 所示。可以发现，2019 年5 月大型底栖动物以节肢动物和寡毛类为主。2020年2月大型底栖动物以节肢动物为主，而2020年10月以寡毛类和软体动物为主。与2019年5月相比，2020年2月和10 月大型底栖动物总物种数都有增加。与2020 年2 月相比，2020 年10 月大型底栖动物总物种数减少了10 种，寡毛类和软体动物物种数分别增加了15.02%、18.32%，节肢动物物种数大幅度减少，蛭类和多毛类物种数略有减少。表明在一系列的生态恢复策略下，底栖动物群落逐渐重建，寡毛类和摇蚊是修复初期的先锋种，腹足类软体动物和污染敏感水生昆虫是随后定殖的过渡种。在当前的流量范围内，较大流量可能有利于河涌底栖生物完整性修复。

图10 沙河涌大型底栖动物物种组成对比图Fig.10 Proportion of species composition of macrobenthic animals of Shahechong

4.6 鱼类

在沙河涌三次调查中，鱼类物种组成对比如图11 所示。2019 年5 月和2020 年2 月鱼类都以鲤形目为主，物种数从2019 年5 月21 种下降为2020年2月16种、2020年10月10种，但类别组成增加到2020 年10 月6 类（鲤形目、鲈形目、鲶形目、鲇形目、合鳃鱼目和鳉形目）。表明在一系列的生态恢复策略下，鱼类类别逐渐增加，从最早的耐低氧，耐低氧且适应性强的齐氏罗非鱼、尼罗罗非鱼和革胡子等外来鱼种为主，伴随水质的逐步改善，外来鱼种数量逐步下降，但物种丰富度明显增加（2020年出现本地优势种鲮鱼和泥鳅）。伴随着水质的改善本地鱼类逐步恢复，物种丰富度明显增加。

图11 沙河涌鱼类物种组成对比图Fig.11 Proportion of species composition of fishes of Shahechong

5 结语

沙河涌采用“三源-四洗-五方针”综合整治措施后，为保持沙河涌长治久清治理效果，沙河涌实施低水位运行和再生水补水等生态自修复模式。河道水质和水动力得到很大改善，上中游河道水质逐渐恢复，清澈见底，水草丛生，不同类群生物物种开始出现。

通过沙河涌三次调查发现：水质在稳步提升，DO、COD、BOD5均达Ⅲ类地表水标准；生物群落已开始丰富，浮游生物出现了敏感种针棘匣壳虫和弯凸表壳虫，附着藻类出现清洁种曲壳藻，大型底栖动物出现污染敏感水生昆虫，鱼类出现本地优势种鲮鱼和泥鳅。

沙河涌各河段各类生物群落正在持续恢复中，主要生物类群的多样性逐渐增加，再生水补水促进河涌水生态恢复进程，近补水河段恢复最快，已有各类敏感种出现并定居，物种组成由耐受物种向自然物种和清洁物种转变。广州沙河涌采用生态自修复模式保持河道长治久清治理效果明显，为城市河涌水生态修复实践提供了参考和借鉴。